A vasúti vontatás első évszázada a gőzvontatás egyeduralmát jelentette. Az egyébként a vontatási feladatokhoz kitűnően alkalmazkodó gőzmozdony a XX. század elejére lassan elérte teljesítményének a határait, emellett a hatásfokának (a legjobb üzemi helyzetekben 5%!) ma elképzelhetetlenül alacsony értéke az energiagazdálkodási szempontokat is előtérbe helyezte a vasúti vontatás fejlesztése során. Ez vezetett a villamos vontatás kifejlesztéséhez.
Villamos vontatás esetén szükség van a villamos energia járműbe való vezetésére. Erre kétféle megoldás létezik: kezdetben harmadik sín gondoskodott az áramellátásról, azonban 1895-ben R. Sprague az Amerikai Egyesült Államokban már felsővezetéket használt.
Története A megújulás két – markánsan eltérő – irányban indult meg. A dízelvontatás a gőzvontatás hagyományainak továbbéléseként a vontatójárműbe épített energiaforrás elvét hagyta meg, a közúti közlekedésben és a stabil gépi berendezésekben egyre kiforrottabb belső égésű motorok alkalmazásával.
A villamos vontatás a központi (célszerűen az országos) energiaellátó rendszerekből táplált felsővezetéki hálózatból táplált (városi rendszereknél alsó- és oldalsóvezetéki rendszerek is előfordulnak), emiatt törvényszerűen egyszerűbb járművekre épül.
Ebből következik, hogy az egyszerűbb és olcsóbb üzemű járművekből és a kiépítendő energiaellátó rendszerből álló villamos vontatás annál a forgalomsűrűségnél válik gazdaságosabbá a dízelvontatáshoz viszonyítva, ahol a két elem együttes beruházási és üzemeltetési költsége kisebb az adott feladathoz szükséges dízeljárművek összköltségénél. A részletes számításokat természetesen a tényleges járműárak, beruházási és üzemeltetési költségek ismeretében lehet alkalmanként és vonalanként elvégezni a várható forgalomnagyság függvényében. bélyegkép|jobbra|250px|A MÁV V40 sorozatú, gyors- és személyvonati Kandó-mozdonya Elsősorban Kandó Kálmán fejlesztői munkássága, számos szabadalma eredményeképpen 1932-ben valósággá vált a hegyeshalmi vonalon Budapest – Komárom között a 16 000 V-os 50 Hz-es felső vezetéki táplálású üzemszerű villamos vontatás beindítása. Kandó helyesen ismerte fel, hogy a vasúti villamos vontatást az ország egységes energiarendszerén belül kell megvalósítani. Az 50 Hz-es egyfázisú váltakozó feszültséget a mozdonyban háromfázisúvá alakítva táplálják a vontatómotorokat. Így a vasút külön villamos rendszert nem igényel, mindössze egyetlen munkavezetéket kell létesíteni.
A nagyvasúti villamos vontatás három párhuzamos technikai útvonalon indult el, és ezek a megoldások ma is együtt élnek az európai vasúthálózaton (is). A városi közlekedésben a XIX. század utolsó éveiben tért hódító egyenáramú rendszer (a városi villamos) nagyvasúti alkalmazásának határt szab az alkalmazható felsővezetéki feszültség (1500 V, illetve állandóan sorba kapcsolt motorok esetén 3000 V), amely a megengedhető határok között tartandó feszültségesés miatt igen sok stabil átalakítót, alállomást igényel. Természetesen a nagyon sok (egyszerű villamos berendezésű) járművet igénylő városi közlekedésben a mai napig ezt a megoldást alkalmazzák. Megmaradtak a korábban kiépített nagyvasúti egyenáramú hálózatok is (például Lengyelországban, Olaszországban, Szlovéniában, Hollandiában stb.) de a mai, korszerű járművek már itt is jórészt váltakozó áramú motorokkal készülnek.
Ugyancsak tovább él az egykori német ipar által kifejlesztett és az általa akkoriban befolyásolt területeken a XX. század elején kiépített 15 000 V feszültségű, 16 ⅔ Hz frekvenciájú váltakozóáramú rendszer (a német, osztrák, svéd, norvég, svájci vasutak hálózatán), de az új járművek hajtási rendszere ma már itt is eltér az eredeti „váltakozó áramú kommutátoros” motoroktól.
A harmadik technikai lehetőség kidolgozása Kandó Kálmán és munkatársai nevéhez fűződik, ennek első nagyvasúti megvalósítási jubileumát ünnepeltük 2007-ben. Kandó Kálmán nagy jelentőségű változtatást hajtott végre mindkét korábbi megoldáshoz képest, amikor a nagyvasúti villamos vontatást az országos villamosenergia-ellátó rendszerre telepítette. A váltakozó áramú aszinkron motorok nagyvasúti hajtómotorként való alkalmazása abban az időben igen kreatív mérnöki tevékenységet igényelt, de sikerült üzemi célra elfogadható megoldást találni. A járművek hajtási rendszerében az elmúlt háromnegyed évszázad alatt bekövetkezett fejlődés teljes mértékben megoldotta a kezdet nehézségeit, igazolta Kandó Kálmán és munkatársai merész és következetes fejlesztési munkáját. Ma a világon új villamosítást (eltekintve az eltérő rendszerű hálózatok kisebb mértékű fejlesztésétől) csak az országos energiaellátó rendszerre építenek, ipari periódusú váltakozó áramú felsővezetéki rendszerrel.
A 25 kV feszültségű, 50 Hz-es rendszer kidolgozóinak és követőinek nagyvonalú és magas színvonalú mérnöki munkáját bizonyítja, hogy – az akkoriban meglehetősen korlátozott lehetőségek ellenére – az 1960-as években sikerült kiválasztani az energiaellátó rendszerhez legjobban illeszkedő mozdonytípust, illetve hajtási rendszert.
Az ipari energiaellátó rendszerre épített vasútvillamosítás minden kedvező energiaellátási tulajdonsága ellenére sem tudott elterjedni – a már említett mozdonykonstrukciós nehézségek miatt – az 1960-as évekig. Ekkor azonban a vasúti szállítás dinamikus növekedése Európa-szerte kikényszerítette a villamosítás gyorsítását és széles körű kísérletek indultak a legjobb technikai megoldás megtalálása céljából. A Kandó-rendszerű energiaellátó rendszerhez ekkor társult a félvezetőkre épülő áramirányítási technika és az egyenáramú soros motorok alkalmazása.
Hazai vasút-villamosítás bélyegkép|balra|250px|A MÁV V43 sorozatú univerzális mozdonya
A MÁV-nak sikerült 1963-ban egy neves (német, francia, belga) cégekből álló nyugat-európai munkaközösség egy korszerű mozdonytípusát megvásárolnia (gondoljunk bele: 1963-ban egy teljesen „nyugati” termék behozatala mekkora mérnöki – és a háttérben politikai – elszántságot igényelt!). Az első hét darab MÁV V43 sorozatjelzésű, univerzális jellegű mozdony üzembe helyezése után a hazai ipar licenc alapján átvette a gyártást és összesen 378 darab készült el a mozdonytípusból 1982-ig. A döntés helyességét a teljes magyar vasúti járműgyártó ipar akkori technológiai megújulása igazolta, valamint az a tény, hogy ezek a mozdonyok 2010-ben is a MÁV szállítási teljesítményének 60–65%-át tették ki. A magyar vasút és a magyar mérnökök a villamos vontatás kifejlesztésében igen jelentős eredményeket értek el korábban.
bélyegkép|jobbra|250px|A villamos vontatás aránya a különböző országokban bélyegkép|jobbra|250px|A MÁV villamosított és villamosításra érett vonalai. Kék: már villamosított Sárga: tervezett villamosítás
A magyar vasúthálózatból a villamosított arány a 2000. év végén elérte a 35%-ot. Ezzel a meghatározó nemzetközi fővonalak és a páneurópai korridorok vonalszakaszainak többsége villamos üzemű lett. Ugyan a villamosított hálózat aránya ma jelentősen elmarad az Európai Unió átlagától (az európai uniós átlag 2000-ben 53,5%, 2005-ben 54,9% volt), azonban ennek egyik fő oka Magyarország uniós átlagot messze meghaladó vasútihálózat-sűrűsége, és a gazdaságosan nem villamosítható mellékvonalak jelentős hossza. A MÁV ugyanakkor – koncentrált terhelésű hálózatára tekintettel – szállítási teljesítményének mintegy 86%-át villamos vontatással teljesíti.
2001–2006 között a magyar vasúthálózaton a GYSEV a kezelésében lévő Sopron-Szombathely, valamint a Fertőszentmiklós- Pomogy (Pamhagen) vonalat villamosította, ezzel a GYSEV villamosított hálózatának aránya 95%-os lett. 2010-ben elkészült 56 km-en a Szombathely–Szentgotthárd-vasútvonal villamosítása is. A 2011-ben átvett újabb 214 km-es vasúti pályák közül a Mosonszolnok–Csorna–Porpác szakaszok villamosítása készült el 2015-ben. A Szombathely–Zalaszentiván vasútvonal villamosítása 2016-ban történt meg.
Ugyanezen időszakban a MÁV hálózatán új vonal villamosítására nem került sor. A vasúthálózatból 1917 km-t még 1985 előtt villamosítottak.
Történt ez annak ellenére, hogy a MÁV vezetése 2001-ben megtárgyalta a vasúttársaság hosszú távú villamosítási koncepcióját. Ekkor döntés született az európai V. közlekedési folyosó részét képező, Szlovénia felé vezető 25. számú vasútvonal, a teljes villamosításáról, ami végül 2010. május 18. óta villamosított. Továbbá a IV. és az V. korridor villamos vontatású összeköttetésének kiépítéséről is (a 10. számú Győr–Celldömölk-vasútvonal és a 16. számú Hegyeshalom–Porpác-vasútvonal). A 2000-ben elkészített koncepció további vonalak villamosítását is javasolta. Mindezek ellenére 2008-ig a MÁV-nál villamos üzem-felvétel nem történt. Készült viszont egy újabb villamosítási koncepció 2007 elején. Időközben a 16. számú Hegyeshalom–Szombathely-vasútvonalat a GYSEV átvette üzemeltetésre, villamosítása pedig elindult. A 10. számú Győr–Celldömölk vasútvonal villamosítása azóta lekerült a napirendről, a 2014–2020 közötti EU-támogatási ciklus projektjei között már nem szerepelt.
A 2001–2005-ös évek forgalmi adatainak elemzése szerint a korábbi villamosítási program prioritásai változatlanul helytállóak maradtak: a 10. és a 16. vonal a MÁV legforgalmasabb nem villamosított vonalai közé tartoztak. Az elvégzett számítások szerint ezekkel a vonalakkal együtt 445 km vasútvonal érett a villamosításra, a dízelüzem felváltása ezeken a vonalakon gazdaságos és rövid idő alatt megtérülő beruházás.
A harmadik sín bélyegkép|250px|A brighton-i villamost máig harmadik sínről táplálják
Ezt a megoldást igen hamar kiszorította a felsővezeték. Leszámítva néhány világvárosban az elővárosi vonalakat, ma már szinte kizárólag a metróvonalakra korlátozódott a használata. Kizárólag egyenárammal használják. A rendszer előnye az egyszerű telepítés. Legnagyobb hátránya, hogy az áramellátó sín közel van a földhöz, valamint a pálya környékén tartózkodó emberekhez, így nem lehet nagyfeszültséggel táplálni (600 illetve 750 V használatos). Ez két problémát jelent: az első az, hogy a vontató járművek teljesítménye korlátozott (legfeljebb 2500 kW), a második pedig, hogy a tápláló állomásokat nagyon közel kell tenni egymáshoz (kb. 8 km).
Kivitelezése háromféle lehet: felül érintkező alul érintkező oldalt érintkező
A felül érintkező megoldás volt az első. Előnye, hogy az áramellátó sín a talpfákhoz (talpbeton) rögzíthető, továbbá az áramszedő saját súlyánál fogva a sínhez nyomódik. Hátránya, ha valami ráesik az áramellátó sínre, akkor az áramszedő nagyon súlyosan megrongálódik.
Az alulról érintkező megoldással próbálták az előző hátrányt kiküszöbölni. Itt azonban egy másik gond akadt, hogy az áramszedőt már el kellett látni egy olyan berendezéssel, ami megakadályozza, hogy a síntől saját súlyánál fogva eltávolodjon. Mivel az áramszedő alulról nyomódik a sínnek, így azt elég magasan kell rögzíteni.
Az oldalról érintkező megoldás előnye az előzővel szemben az, hogy nem szükséges az áramellátó sínt túl magasra emelni, és könnyebb az áramszedőt a sínhez nyomni. Ez a megoldás terjedt el leginkább.
A felsővezeték bélyegkép|250px|A TGV felsővezetékes megoldással